費葉琦 周徐孝 齊加勝 朱軒 楊文謙 吳晟豪

摘要：針對市場上各類戶型的通風問題及智能窗功能不夠完善、選用靈活度不高的缺陷，提出了智能整窗的設計理念。設計了具有基于樹莓派及云平臺的語音識別、風雨檢測、異物防夾、防盜報警等功能于一體，可進行集群管理的智能窗系統(tǒng)。該裝置通過對環(huán)境因素（如風、雨、溫度等）的有效檢測和遠程調控，實現(xiàn)主體的家居功能并以此拓展應用，具有良好的用戶交互體驗。該智能窗控制系統(tǒng)功能可集成于傳統(tǒng)已有窗戶上，且能夠做到多平移窗間的聯(lián)合控制。與市場上傳統(tǒng)的智能窗控制系統(tǒng)相比，該智能窗具有安全性更強、功能集成度更高等優(yōu)勢，并且簡單實用、易于操作、可擴展性強，具有更好的投放價值。

關鍵詞：智能窗;樹莓派;云平臺;多傳感器融合應用;人機交互

中圖分類號：TH17; TP29文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0171-04

Design of Intelligent Voice Control System for Translation Window Based on Raspberry Pi and Cloud Platform

Fei Yeqi 1， 2，Zhou Xuxiao1，Qi Jiasheng1，Zhu Xuan1，Yang Wenqian1，Wu Shenghao1

（1. School of Intelligent Manufacturing， Nanjing University of Science and Technology Zijin College， Nanjing 210046， China;2. College of Mechanical and Electronic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract： In view of the ventilation problem of various house types on the market and the defects of the intelligent window function is notperfect and the flexibility of selection is not high， the design concept of the intelligent whole window was put forward. An intelligent windowsystem based on Raspberry Pi and cloud platform was designed. The system has the functions of voice recognition， wind and rain detection，foreign object anti-clamping， anti-theft alarm， and can be used for cluster management. Through the effective detection and remote control ofenvironmental factors （such as wind， rain， temperature， etc.）， the device realizes the main household function and expands the application， witha good user interaction experience. The function of the intelligent window control system can be integrated with the traditional existingwindows， and can achieve the joint control between multiple translation windows. Compared with the traditional intelligent window controlsystem on the market， the intelligent window has stronger security， higher function integration and other advantages， and is simple and practical， easy to operate， strong expansibility， and has a better delivery value.

Key words： intelligent window; Raspberry Pi; cloud platform; multi-sensor fusion application; human-computer interaction

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術迅速發(fā)展，智能生活的理念正逐漸得到人們認可[1]，人工智能普及程度越來越高，被應用在智能家居等諸多領域[2]。智能家居行業(yè)更是發(fā)展迅猛。智能家居行業(yè)堅實的理論基礎與技術支持得益于云計算技術和語音交互技術的不斷完善[3-4]。為降低智能家居成本、提高控制效率，郝林煒等[5]提出了以樹莓派與云服務器為基礎的網(wǎng)絡監(jiān)控及智能家居控制系統(tǒng)的研究與實際應用，在行業(yè)內(nèi)起到了重要的引導作用。通過借助如騰訊、阿里云、OneNET [6]等平臺提供的服務接口，將復雜計算交給云平臺，保證語音識別等功能實現(xiàn)的準確性。

如今，人們在快節(jié)奏的生活中，出門在外忘關窗是常有之事，遭遇財產(chǎn)損失、風吹雨淋等諸多后果。配置防盜窗后，雖能在一定程度保障財產(chǎn)安全，但遭遇火災時，逃生通道也因此被阻礙[7]。通過相應的傳感器模塊，對室內(nèi)外環(huán)境（如風速、煙塵密度、空氣質量等）進行監(jiān)測，并根據(jù)信息處理結果實現(xiàn)窗戶的開關、報警等，實現(xiàn)窗戶開閉的安全性，進一步實現(xiàn)智能家居理念[8-10]。在未來，使用更具安全性、防護性、人性化的智能窗將成為一種潮流[11]。

本文通過市場調研，結合市場上已有的云平臺、語音交互、分布式等技術，設計一種集多功能于一體，基于可喚醒終端的平移窗智能控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)總體設計

智能窗具有優(yōu)秀的人機交互系統(tǒng)，提高了用戶使用體驗，通過系統(tǒng)可遠程調控其打開大小、自動防風防雨、自動報警、自動調控采光與遮陽等功能，其系統(tǒng)由主機、各類傳感器、報警器以及一系列部件組成并協(xié)調工作。以樹莓派為控制終端，通過多個 GPIO 接口連接各類傳感器功能模塊（如濕度檢測儀）來感知周圍環(huán)境的變化，并控制直流電機來實現(xiàn)窗戶自動開合;同時，樹莓派上搭載的遠程控制模塊可當用戶在外時，及時了解家中窗戶周圍環(huán)境，根據(jù)需求遠程調控家中窗戶開合大小。

平移窗智能控制系統(tǒng)設計對象包含云服務器端、樹莓派端、移動電話端和 PC端。其中，服務器端負責存儲數(shù)據(jù)、提供數(shù)據(jù)查詢和各類傳感器控制接口;樹莓派端負責監(jiān)聽傳感器引腳數(shù)據(jù)、解析傳感器數(shù)據(jù)、序列化數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務器、短輪詢請求云服務器中的用戶指令;移動電話端和 PC 端通過云端智能窗給定的 IP 地址，由微信小程序與云服務器建立 WebSocket連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時更新;云服務器與云平臺協(xié)作實現(xiàn)語音識別功能。智能窗控制系統(tǒng)具體運行框架如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 智能窗終端

智能窗終端采用樹莓派（即小型電腦主板），整體僅卡片大小且價格低廉。開發(fā)板內(nèi)置 Linux 系統(tǒng)，支持 Python和 Java等編程語言，適合本控制系統(tǒng)部署。具有唯一的 MAC地址，板載強大的WiFi模塊，信號接收能力強，能較好地適應分布式開發(fā)。

2.2 執(zhí)行端

智能窗開合部分的執(zhí)行端控制主要由傳感器、樹莓派、正反轉直流繼電器和直流電機等配合完成。其中，所用的傳感器有雨滴傳感器、風速傳感器、HC-SR501人體紅外傳感器、DHT22溫濕度傳感器。

2.3 硬件部署

首先是直流電機控制端和樹莓派連接，通過預先設定的腳本文件執(zhí)行控制 GPIO 脈沖信號的 Python程序，接收開窗、關窗、窗停的脈沖信號。移動電話端和 PC端通過訪問云服務器，讓云服務器給樹莓派端執(zhí)行相應腳本文件的指令。

智能窗型材底部外側均布有5～6個壓電式雨滴傳感器，可實時地監(jiān)控外界環(huán)境晴雨情況，若下雨則發(fā)出模擬信號，通過 A/D轉換器變?yōu)閿?shù)字信號，再由樹莓派解析并發(fā)送消息給移動電話端供用戶查閱，詢問是否關閉窗戶，樹莓派端在設定時間內(nèi)未接收到執(zhí)行指令時，執(zhí)行端默認關閉智能平移窗并發(fā)送窗戶狀態(tài)信息給用戶端。智能窗中布置的三杯式風速傳感器安裝在室外墻體上，接地端串聯(lián)一個1 kΩ的電阻做保護;數(shù)據(jù)輸出端接上 A/D轉換器，將模擬信號轉成數(shù)字信號，由樹莓派解析數(shù)字信號并將信息轉發(fā)給用戶，等待進一步動作指令，若反饋超時，則執(zhí)行默認動作。

智能窗型材側部安裝有 HC-SR501人體紅外傳感器，工作時可直接輸出電平信號，由樹莓派引腳接收，若電平信號變化感知到有人體靠近，將停止智能窗執(zhí)行動作，防止誤傷人體。同時，人體紅外傳感器結合蜂鳴器和監(jiān)控攝像頭可實現(xiàn)較低樓層的用戶防盜，如窗外監(jiān)測范圍內(nèi)頻繁的人員活動被檢測后會觸發(fā)蜂鳴器報警，用戶也會收到短信提醒，可調看家中攝像頭監(jiān)控異常情況。

智能窗體內(nèi)側安裝語音識別模塊。語音識別模塊主要實現(xiàn)3個功能，即語音喚醒、語音轉文字、語義識別。設備在無操作時，處于低功耗待機模式，通過語音喚醒功能，將設備從待機模式喚醒，語音轉換和語義識別功能識別并分析語音信息，根據(jù)語義控制智能平移窗動作。硬件電路如圖2所示。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件的設計主要包括前端應用模塊、語音交互模塊、感知系統(tǒng)模塊、分布式架構設計、配置模塊五部分組成。前端應用模塊負責提供智能窗的可視化控制界面;語音交互模塊負責將智能窗的交互方式切換為語音交互;感知系統(tǒng)模塊負責智能窗中各傳感器自動化數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控;分布式架構設計和配置模塊實現(xiàn)智能窗控制系統(tǒng)一致性，即：終端一致，用戶端和執(zhí)行端可擴展。

3.1 前端應用模塊

用戶通過微信小程序中微信授權進入登錄界面，輸入預設的賬號密碼，與家中的樹莓派用云服務器作為消息中轉站，建立長連接，通訊時遵循 WebSocket 協(xié)議，前端處理流程如圖3所示。

3.2 語音交互模塊

通過語音交互技術實現(xiàn)窗戶狀態(tài)的遠程控制。長按“麥克風”按鈕，調用移動電話錄音功能，將 MP3文件傳遞給服務器，服務器將 MP3文件轉為無損的 WAV 文件上傳至騰訊云平臺，通過騰訊云平臺解析的語音提煉關鍵字，轉發(fā)給樹莓派。樹莓派接到相應關鍵字，將提取出關鍵詞與預設字詞相對比，準確完成相應的功能，如“打開一半窗戶”就是將窗戶開合程度變?yōu)榇蜷_一半。若窗外環(huán)境為雨雪天氣，智能窗將在移動電話端提醒用戶天氣情況，等待用戶的語音輔助指令。語音交互模塊的實現(xiàn)流程如圖4所示。

3.3 感知系統(tǒng)模塊

感知系統(tǒng)由傳感器作為數(shù)據(jù)采集部分，如雨滴傳感器接收到雨滴信號發(fā)出高電平，樹莓派通過電平解析模塊、數(shù)據(jù)轉發(fā)模塊，最后交由優(yōu)先級判斷模塊決定最終執(zhí)行順序。

感知系統(tǒng)中優(yōu)先級判斷模塊會將用戶請求、傳感器數(shù)據(jù)轉發(fā)等標識上的權限等級和狀態(tài)。在指令執(zhí)行中，遵循以下規(guī)則：當用戶請求和傳感器請求同時發(fā)出后，被優(yōu)先級判斷模塊攔截，傳感器請求會被拒絕，用戶請求優(yōu)先通過，交由執(zhí)行端執(zhí)行，同時將狀態(tài)記錄改為用戶控制;若無用戶進一步請求輸入或上一動作執(zhí)行完成后一段周期，會重置狀態(tài)記錄，改為輔助控制，繼續(xù)監(jiān)測信號輸入。

3.4 分布式架構

分布式架構由注冊中心集群、網(wǎng)關集群、執(zhí)行端集群組成。所有執(zhí)行端對外請求控制（包括網(wǎng)關），必須首先到注冊中心集群進行注冊。所有請求通過網(wǎng)關集群路由到對應執(zhí)行端進行交互控制。注冊中心由Euraka部署成集群模式，相互注冊，通過心跳策略同步注冊信息。

通過 Nginx 來實現(xiàn)網(wǎng)關集群部署，Keepalived虛擬IP ，當網(wǎng)關1宕機后，虛擬 IP 自動切換到網(wǎng)關2上，保證 Nginx的高可用。分布式架構設計原理如圖5所示。

3.5 配置模塊

配置模塊由用戶配置模塊和監(jiān)聽配置模塊組成。通過配置模塊修改配置文件，控制注冊中心、網(wǎng)關、執(zhí)行端的切換，實現(xiàn)多用戶端和多執(zhí)行端的功能，即可由多個用戶移動電話端來控制一個智能窗的動作執(zhí)行，也可由一個用戶移動電話端來控制多個智能窗的動作執(zhí)行。

用戶通過監(jiān)聽配置模塊實現(xiàn)填寫監(jiān)聽接口、開啟監(jiān)聽、關閉監(jiān)聽等操作。用戶可根據(jù)實地需求通過傳感器接口，增加或刪減系統(tǒng)的感知功能，實現(xiàn)功能靈活配置，如偏干燥降雨量較少地區(qū)不需要雨滴傳感器;紫外線較強的高原地區(qū)需要在智能窗的基礎上布置光感玻璃。

3.6 軟件部署

智能窗體設計的軟件部署中包括樹莓派、服務器的長連接和移動電話端、服務器的長連接兩部分。

樹莓派、服務器的長連接中租用阿里云服務器，在阿里云控制臺里啟動相關實例，該實例操作系統(tǒng)選用的是 Centos764位。在實例中部署 Docker環(huán)境，并用 Dock- er下載阿里云MySQL 、Redis鏡像文件，腳本啟動 Redis 集群，開啟哨兵機制。樹莓派端安裝 MySQL數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建接口監(jiān)聽器，并收錄相關信息于信息表中，與相應表單如用戶信息表等，建立主鍵、外鍵、索引，并要求樹莓派端 MySQL與服務器中 MySQL相一致。樹莓派端通過阿里云給的服務器公網(wǎng) IP ，與服務器建立 WebSocket連接，實時更新數(shù)據(jù)。通過相關的軟件部署，方便用戶隨時隨地了解智能平移窗外天氣情況、房間內(nèi)的溫濕度情況、外人靠近窗邊預警等信息。

移動電話端、服務器的長連接中通過樹莓派橋接家庭局域網(wǎng)，移動電話通過登錄微信小程序與服務器建立長連接，長連接遵循 WebSocket協(xié)議。其中移動電話作為客戶端，責發(fā)送語音等指令請求;服務器作為消息中轉站，攔截、轉發(fā)請求;樹莓派作為執(zhí)行端，負責接收、執(zhí)行和反饋信息。

3.7 數(shù)據(jù)采集和傳輸

在數(shù)據(jù)采集和傳輸部分中服務器通過 MySQL數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，提供傳感器數(shù)據(jù)查詢、傳感器接口狀態(tài)修改，采用 Redis集群暫存 Token令牌（用戶唯一識別碼）和頻繁查詢的數(shù)據(jù);樹莓派端按數(shù)據(jù)庫中接口狀態(tài)執(zhí)行監(jiān)聽傳感器任務，并上傳傳感器各類數(shù)據(jù)給云服務器的數(shù)據(jù)庫。

4 系統(tǒng)測試與分析

在對智能窗控制系統(tǒng)構建完后，對其軟件測試采用黑盒測試和靜態(tài)檢測相結合的方式實施。軟件代碼使用率為89%;請求通信延遲在網(wǎng)絡較好的情況下，時間延遲為0.054 s ，反應迅速、不會給人遲滯感。

4.1 語音識別測試

語音控制功能中通過語音的錄入特定的口令，如“打開窗戶”，窗戶便從當前狀態(tài)轉換為完全打開狀態(tài)。在執(zhí)行完指令后，樹莓派會將窗戶狀態(tài)發(fā)送給云服務器，同時移動電話也會定期從云服務器讀取樹莓派發(fā)送的窗戶狀態(tài)信息。

測試顯示：語言識別功能在網(wǎng)絡狀態(tài)良好的情況下，時間延遲大約為0.943 s ，動作完成度100%，符合設計要求。

4.2 感知系統(tǒng)測試

對感知系統(tǒng)的要求就是響應時間盡可能的短，為此定義0.1 s內(nèi)為優(yōu)秀;0.6 s內(nèi)為良好;1 s以上為一般，進行如下實驗：（1） 在雨滴傳感器上噴淋水滴，記錄從噴淋開始到智能窗關窗動作響應時間;（2）吹動風速傳感器3 s后，記錄風速傳感器旋轉開始到智能窗關窗動作響應時間;（3）在手伸至信號覆蓋區(qū)時，記錄防夾信號接收到智能窗關窗動作停止的響應時間。

傳感器由接收到相應信號到執(zhí)行端動作實現(xiàn)的時間延遲和穩(wěn)定性如表1所示。

智能窗移動電話端和智能整窗設計的外觀展示如圖6所示。圖6（a）為智能窗移動電話端，由微信小程序進行數(shù)據(jù)檢測和控制，“0%”是智能窗開閉程度的位置檢測;“已連接”是查看移動電話端與智能窗通信是否暢通無阻;“開窗”、“關窗”控制智能窗開閉動作;“紅外感應”可控制人體防夾和防盜;“麥克風按鈕”長按可以進行語音控制智能窗執(zhí)行相應動作。圖6（b）所示為智能整窗的實際調試實物外觀。

5 結束語

本智能平移窗的控制系統(tǒng)是基于樹莓派和分布式理念，借助云平臺的相應服務進行的設計。設計中把功能強大的樹莓派作為控制終端，可進行智能語音控制，并通過雨滴傳感器、風速傳感器、人體紅外傳感器等信息采集裝置采集數(shù)據(jù)，由感知系統(tǒng)、語音交互等多個模塊協(xié)調工作，利用云平臺靈活的數(shù)據(jù)服務，實現(xiàn)智能窗戶的開合大小控制。另外，通過可視化界面修改配置、傳感器簡易接口插入的方式來實現(xiàn)感知模塊的靈活配置。通過實際運行效果說明，該智能窗戶具有運行穩(wěn)定、可擴展性高、搭建簡單、成本低廉等優(yōu)勢，具有廣闊的市場前景。

本設計的智能窗可加入智能家居物聯(lián)網(wǎng)平臺，與物聯(lián)網(wǎng)平臺擁有的第三方產(chǎn)品聯(lián)合，實現(xiàn)室內(nèi)溫濕度調控等功能[12]，同時對于酒店、辦公樓、高級公寓等高端商務物業(yè)，完善通風系統(tǒng)智能化也有一定啟發(fā)作用，如擴大執(zhí)行端集群，由統(tǒng)一網(wǎng)關和注冊中心控制，實現(xiàn)整幢或數(shù)幢公寓樓的智能集群控制。

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第一作者簡介：費葉琦（1985-），女，江蘇蘇州人，博士研究生，副教授，研究領域為林業(yè)機械、智能制造、機電一體化、無損檢測，已發(fā)表論文13篇。

（編輯：刁少華）